1　引言
普傳科技股份有限公司根據(jù)冶金和石油行業(yè)特殊用途，基于公司產(chǎn)品研發(fā)戰(zhàn)略，在成功開(kāi)發(fā)冶金行業(yè)電磁攪拌器專(zhuān)用電源基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了新一代數(shù)字化控制高性能特殊電源——pi7800mf中頻感應(yīng)加熱電源。主要應(yīng)用領(lǐng)域有：金屬熔煉、透熱、釬焊、晶體生長(zhǎng)、稀有金屬加工及石油工業(yè)的感應(yīng)電加熱采油（稠油井的空心抽油桿電加熱）、石油集輸管道的感應(yīng)加熱等設(shè)備，還可以應(yīng)用于集輸管道加熱。和其它類(lèi)型的中頻電源相比，在結(jié)構(gòu)、性能及可靠性方面，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，控制電路采用高性能專(zhuān)用dsp及大規(guī)模數(shù)字專(zhuān)用集成電路，大功率igbt為逆變器件，整流控制、逆變控制、功率調(diào)節(jié)、操作接口、保護(hù)等部分均集成在一塊控制板上，調(diào)試、維護(hù)方便，可靠性提高，節(jié)能效果好。
本專(zhuān)用電源對(duì)電網(wǎng)沒(méi)有污染。與同類(lèi)產(chǎn)品相比，提高了電源的可靠性，減少了因停機(jī)造成的生產(chǎn)損失。

2　感應(yīng)加熱原理及應(yīng)用
2.1集膚效應(yīng)及感應(yīng)加熱
（1）集膚效應(yīng)：當(dāng)交流電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周?chē)a(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，處在交變磁場(chǎng)中的整塊導(dǎo)體的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于這種感應(yīng)電流在整塊導(dǎo)體內(nèi)部自成閉合回路，形似水的旋渦，稱做渦流。
在直流電路內(nèi)，均勻?qū)Ь€的橫截面上的電流密度是均勻的，而當(dāng)交流電通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，由于交變磁場(chǎng)的作用，在導(dǎo)線截面上各處電流分布不均勻，中心處電流密度小，而越靠近表面電流密度越大，這種電流分布不均勻的現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)(也稱趨膚效應(yīng))。交流電的頻率越高，則集膚深度越深，同時(shí)其交流阻抗也變大，因此在相同數(shù)值的電流作用下，負(fù)載所獲得的能量也越高，而電流及線路損耗相應(yīng)地也會(huì)變小，從而提高了加熱效率，同時(shí)還可起到節(jié)約電能的目的。變頻加熱電源正是基于這一原理，利用變頻技術(shù)，可將運(yùn)行頻率提高到工頻的數(shù)倍，加熱效果會(huì)明顯提高。
（2）感應(yīng)加熱：1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)規(guī)律、1868 年?？继靥岢鰷u流理論、1840年焦耳－楞茨確定了電阻發(fā)熱的關(guān)系式q=i2rt，構(gòu)成感應(yīng)加熱之理論基礎(chǔ)。
交變的電流產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，再利用交變磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生渦流達(dá)到加熱的效果。感應(yīng)加熱的加熱效率高、速度快、可控性好，易于實(shí)現(xiàn)高溫和局部加熱。隨著電力電子技術(shù)的不斷成熟，感應(yīng)加熱技術(shù)得到了迅速發(fā)展。
在金屬加工上，感應(yīng)加熱熱處理是用感應(yīng)電流使工件局部加熱的表面熱處理工藝。這種熱處理工藝常用于表面淬火、局部退火或回火，有時(shí)也用于整體淬火和回火。
將工件放入感應(yīng)器(線圈)內(nèi)，當(dāng)感應(yīng)器中通入一定頻率的交變電流時(shí),周?chē)串a(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)的電磁感應(yīng)作用使工件內(nèi)產(chǎn)生封閉的感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在工件截面上的分布很不均勻，工件表層電流密度很高，向內(nèi)逐漸減小，工件表層高密度電流的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使表層的溫度升高，即?shí)現(xiàn)表面加熱。電流頻率越高，工件表層與內(nèi)部的電流密度差則越大，加熱層越薄。在加熱層溫度超過(guò)鋼的臨界點(diǎn)溫度后迅速冷卻，即可實(shí)現(xiàn)表面淬火。
2.2感應(yīng)加熱的作用及應(yīng)用
感應(yīng)加熱早期主要用于有色金屬熔煉和熱處理工藝。由于它本身相對(duì)于別的加熱方式，具有以下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：
(1) 加熱速度快，可節(jié)能。感應(yīng)加熱是從金屬內(nèi)部，透入深度層開(kāi)始加熱，大大節(jié)省了熱傳導(dǎo)時(shí)間。
(2) 加熱溫度高，是非接觸式的電磁感應(yīng)加熱。
(3) 可進(jìn)行局部加熱，容易控制加熱部位。被加熱產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，加熱工件的質(zhì)量再現(xiàn)性與重復(fù)性好，各種參數(shù)容易控制。
(4) 控制溫度的精度高，可保證溫差在±0.5%-1%范圍內(nèi)。
(5) 感應(yīng)加熱的熱效率高，一般可達(dá)50%-70%，而火焰爐的熱效率一般只有30%左右。
(6) 可控性好及易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
(7) 作業(yè)環(huán)境好，環(huán)保，幾乎無(wú)熱、噪聲、粉塵等污染。
現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于冶金（金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等）、機(jī)械制造（黑色和有色金屬的鑄造和精密制造金屬的熔煉；機(jī)器零件的淬火，特別是表面淬火以及淬火后的回火、退火、正火等熱處理的加熱等）輕工、石油化工（化學(xué)反應(yīng)釜等容器的加熱；輸油管道縫焊接，現(xiàn)場(chǎng)退火；輸油管路的加熱和保溫；鉆鋌、鉆桿的熱處理）電子、金屬材料等等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，成為冶金、國(guó)防、機(jī)械加工、石化等部門(mén)及鑄、鍛和船舶、飛機(jī)、汽車(chē)制造業(yè)等不可缺少的技術(shù)手段。

3　電源基本框圖及原理

圖1 　電源基本框圖

根據(jù)交變電流的頻率高低，將電源分為超高頻、高頻、超音頻、中頻、工頻。中頻加熱電源（50hz或60hz以上-10khz）主電路為ac-dc-ac變頻結(jié)構(gòu)，由整流電路、濾波、逆變電路和保護(hù)電路組成，其電路基本構(gòu)成如圖1所示。其工作原理是將三相50hz工頻交流電經(jīng)過(guò)三相全控整流橋整流成電壓可調(diào)的脈動(dòng)直流，再通過(guò)電容將脈動(dòng)的直流電濾波變成光滑平穩(wěn)的直流電送到單相逆變橋，最后通過(guò)逆變橋?qū)⒅绷麟娮兂蓡蜗囝l率可調(diào)的中頻交流電供給負(fù)載。采用三相全控橋式整流電路，它的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍大，而移相控制角的變化范圍小，有利于系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，輸出電壓的脈動(dòng)頻率較高，可以減輕直流濾波環(huán)節(jié)的負(fù)擔(dān)。
逆變電路是電源的核心部分，由全控器件igbt構(gòu)成的串聯(lián)諧振式逆變器，由鎖相環(huán)控制工作頻率，自動(dòng)跟蹤負(fù)載固有頻率及其它參數(shù)的變化，保持igbt工作在零電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)，損耗小，安全區(qū)大。由spwm電路控制輸出功率，由功率檢測(cè)電路組成閉環(huán)控制。
電解電容主要起濾波、穩(wěn)定電壓和改善功率因數(shù)的作用。

4　普傳科技中頻感應(yīng)加熱電源性能特點(diǎn)
普傳科技為國(guó)內(nèi)最早引進(jìn)國(guó)外技術(shù)從事電氣傳動(dòng)發(fā)展交流變頻技術(shù)的生產(chǎn)廠家之一，致力于節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展，主導(dǎo)產(chǎn)品為國(guó)家火炬計(jì)劃重點(diǎn)新產(chǎn)品，承擔(dān)國(guó)家863“節(jié)能與新能源汽車(chē)”重大項(xiàng)目課題。節(jié)能、高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的普傳科技產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于裝備制造業(yè)、電子、機(jī)械、石化、冶金、礦山、造紙、紡織、建材、交通等工業(yè)領(lǐng)域和高科技領(lǐng)域及中央空調(diào)、高樓給水、廣場(chǎng)音樂(lè)噴泉等民用項(xiàng)目?；诙嗄曜冾l核心技術(shù)應(yīng)用及在冶金、石化等行業(yè)的實(shí)踐，開(kāi)發(fā)了pi7800mf系列中頻加熱電源，具有以下特點(diǎn)：
(1)基于pi7000系列高性能變頻器技術(shù)平臺(tái)，圖2示出電柜的外貌圖。

圖2　pi7800mf中頻感應(yīng)加熱電源

(2)采用美國(guó)德州儀器ti公司dsp tms320lf2407、tms320f2812等數(shù)字微處理芯片為電源控制核心，spwm控制技術(shù)，控制系統(tǒng)性能增強(qiáng)，電路簡(jiǎn)化，負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)電源控制的全數(shù)字化，智能化。該芯片專(zhuān)門(mén)為電機(jī)控制與運(yùn)動(dòng)控制數(shù)字化優(yōu)化實(shí)現(xiàn)而設(shè)計(jì)，特別適合于三相異步電動(dòng)機(jī)和逆變器的高性能控制。它集c2xx內(nèi)核增強(qiáng)型tms320設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及適用于電機(jī)控制的低功耗、高性能、優(yōu)化外圍電路于一體。
(3)采用先進(jìn)的大功率絕緣柵雙極性晶體管igbt作為功率開(kāi)關(guān)器件，逆變頻率可調(diào)。較傳統(tǒng)的可控硅晶閘管較好的開(kāi)關(guān)斷和開(kāi)關(guān)頻率高，體積小，電流大；
(4)具有相序自適應(yīng)功能，無(wú)需鑒別進(jìn)線相序。
(5)輸出電壓、電流連續(xù)可調(diào)，可以使加熱系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)，能源利用率高，具有恒輸出電壓/恒輸出功率控制選擇功能。
(6)采用零壓軟啟動(dòng)，啟動(dòng)成功率高無(wú)沖擊。
(7)人機(jī)對(duì)話的顯示界面，可通過(guò)鍵盤(pán)的選擇顯示工作頻率及電流，電流變比等，并可顯示故障狀態(tài)及原因，使顯示更直觀，更易于操作。
(8)采用強(qiáng)化的故障診斷和保護(hù)技術(shù)，使系統(tǒng)工作可靠，有多種參數(shù)設(shè)定和跟蹤監(jiān)控功能，保護(hù)功能齊全：具有過(guò)壓、過(guò)流、缺相、控制電源欠壓等故障報(bào)警功能。
(9)高效節(jié)能，全功率范圍內(nèi)，極高的功率因數(shù)和電源效率及較好的諧波抑制。

5　主要技術(shù)參數(shù)及產(chǎn)品型譜(見(jiàn)附表)

附表　主要技術(shù)參數(shù)

6　應(yīng)用舉例
6.1在稠油井抽油系統(tǒng)上的應(yīng)用
在我國(guó)石油開(kāi)采中，稠油井的比例占相當(dāng)大一部分，這類(lèi)井原油粘度高、凝固點(diǎn)高、密度大、含蠟量高，難以開(kāi)采。目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)采這類(lèi)油井的最廣泛、效果最好的采油工藝技術(shù)是稠油熱采，即采用空心桿電加熱工藝技術(shù)，使稠油變稀，可實(shí)現(xiàn)稠油的順利開(kāi)采。以前的空心桿加熱技術(shù)，采用工頻加熱，因負(fù)載為單相，需要有一個(gè)獨(dú)立的變壓器，將三相輸入變?yōu)閱蜗噍敵?，造成三相電網(wǎng)的不平衡，功率因數(shù)低，電能消耗大，對(duì)電網(wǎng)的污染大，加熱效果不明顯，造成電能的極大浪費(fèi)。普傳科技采用現(xiàn)已掌握的成熟的變頻技術(shù)，為該加熱裝置提供一種新的變頻電源—pi7800mf系列中頻加熱電源解決了上述問(wèn)題。該設(shè)備可提供260hz-1500hz的頻率，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓、電流的連續(xù)可調(diào)，以達(dá)到輸出功率連續(xù)可調(diào)的目的，提高了加熱效果，同時(shí)由于中頻電源渦流感應(yīng)加強(qiáng),導(dǎo)致集膚效應(yīng)更強(qiáng),漏磁減少,因此電加熱效果大大好于工頻電源，實(shí)際應(yīng)用節(jié)能效果達(dá)到30%以上，大大地降低了采油生產(chǎn)能源的消耗。已在勝利油田、遼河油田稠油加熱、輸油管道加熱解除油路堵塞及油井井口加熱中廣泛應(yīng)用，很受油田采油人員的歡迎。目前,加熱元件主要采用感應(yīng)加熱器和空心加熱稈，前者為感性負(fù)載，后者為阻性負(fù)載。
6.1.1 電路框圖
pi7800mf系列油井采油中頻感應(yīng)加熱電源通過(guò)dsp控制ipm/igbt功率器件，實(shí)現(xiàn)功率和頻率可調(diào)的中頻電源輸出。它充分利用中頻集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和圓環(huán)效應(yīng)原理，通過(guò)感應(yīng)加熱器和油管柱，使電能有效的轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到油井降粘降稠、穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的目的(見(jiàn)圖3)。

圖3 　電路框圖

（1）采用了先進(jìn)的移相控制技術(shù)和軟起動(dòng)技術(shù)，使工作更可靠。
（2）人機(jī)對(duì)話的顯示界面，可通過(guò)鍵盤(pán)的選擇顯示工作頻率及電流，輸出脈沖的占空比、電流變比等，并可顯示故障狀態(tài)及原因，使顯示更直觀，更易于操作。顯示與主控板共用一個(gè)線路板，排列更緊湊，避免了信號(hào)傳輸過(guò)程中的干擾，工作更穩(wěn)定。
（3）輸出部分采用環(huán)形中頻變壓器，用于隔離輸入、輸出電壓，同時(shí)經(jīng)電容組與控制柜輸出相連接，起到隔直作用，防止由于直流偏磁或過(guò)勵(lì)磁產(chǎn)生的磁飽和，同時(shí)可起到串聯(lián)諧振的作用。中頻變壓器工作頻率高，自身能量損耗極低，整機(jī)效率提高。若頻率再提高，其體積可做得更小，工作效率更高。
（4）保護(hù)功能齊全。
設(shè)置了過(guò)流、短路、機(jī)內(nèi)溫升過(guò)高及過(guò)、欠壓保護(hù)，功能更齊全，工作更可靠，避免了由于各種不正常因素而造成的損壞。
6.1.2應(yīng)用效果
普傳科技在勝利油田、遼河油田等幾個(gè)稠油井分布的區(qū)域內(nèi)成功運(yùn)用了中頻電源加熱技術(shù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，結(jié)合加熱電纜及功率，一般將頻率調(diào)至500hz-800hz左右，比工頻提高了10倍，根據(jù)功率調(diào)整電流，一般75kw的電源輸出電流在80a左右，93kw的電源在100a左右，通過(guò)中頻變壓器，輸出電壓800v左右（串聯(lián)輸出電壓：500v、600v、700v、800v），其加熱和節(jié)能等應(yīng)用效果十分明顯：
（1）功率因數(shù)明顯提高。原工頻加熱，功率因數(shù)約在0.7左右，而用變頻電源加熱，經(jīng)測(cè)試都在0.95以上。
（2）減少了對(duì)電網(wǎng)的污染。原工頻加熱，需三相變二相，造成變壓器輸入三相電壓嚴(yán)重不平衡，對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重。應(yīng)用變頻電源以后，功率因數(shù)提高，諧波含量明顯減少，減輕了對(duì)電網(wǎng)的污染。
（3）加熱效果明顯。根據(jù)集膚效應(yīng)，頻率提高后，負(fù)載所獲得的能量提高，線路損耗也相應(yīng)減少?gòu)亩岣吡思訜嵝Ч?jù)測(cè)試，變頻加熱可比工頻加熱提前1-2小時(shí)達(dá)到預(yù)定效果，而且溫度也要高。
（4）保護(hù)功能齊全。原工頻電源柜保護(hù)功能差，往往由于負(fù)載的短路、斷路及電壓的不穩(wěn)定，造成變壓器燒毀、工作不穩(wěn)定。而變頻電源柜由于dsp的控制，其保護(hù)功能齊全，避免了由于電網(wǎng)及負(fù)載的故障引起的問(wèn)題，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
（5）節(jié)能效果明顯。據(jù)測(cè)試，每臺(tái)中頻電源柜比相應(yīng)的工頻柜節(jié)電都在20%左右，有力的節(jié)約了電能，提高了工作效率，保證了加熱系統(tǒng)的效果。
變頻加熱是稠油熱采的一次革命，我國(guó)的稠油資源相當(dāng)豐富，推廣該技術(shù)，是采油行業(yè)節(jié)能減排和提高效率的有效途徑。
6.2 普傳科技中頻感應(yīng)加熱電源在鋼鐵行業(yè)應(yīng)用
實(shí)踐中，在鋼廠感應(yīng)加熱爐、大型鋼板加熱、鋼軌淬火、透熱設(shè)備等加工中很好地利用了中頻感應(yīng)加熱技術(shù)，見(jiàn)圖4－圖9。

圖4 　感應(yīng)加熱鋁殼爐體

圖5 出鋼

圖6 大型鋼板加熱感應(yīng)器

圖7 鋼軌淬火

圖8 透熱設(shè)備

圖9 淬火

作者簡(jiǎn)介
董建華 男 高級(jí)工程師，從事電氣自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用及項(xiàng)目管理工作。

參考文獻(xiàn)
[1] 田志明等. 感應(yīng)加熱變頻電源綜述[j]. 變頻技術(shù)應(yīng)用.
[2] 李宏等. 感應(yīng)加熱用中高頻電源技術(shù)的新進(jìn)展. 西安石油學(xué)院.